Linux內核學習總結

@2015.05

幸福來得很突然，這門課就快結束了……

喜歡孟老師的課，是從這個課程《軟件工程（C編碼實踐篇）》開始的，那個是我在網易雲課堂第一個堅持學完的課程。

自己一直在Windows下做開發工作，出於個人興趣，去年就想系統地學習下Linux的相關知識。從《軟件工程（C編碼實踐篇）》課程開始，就跟著孟老師逐步熟悉Linux下的一些開發實踐；那時候就感覺孟老師的講課，深入淺出，循序漸進，實踐性很強，只要跟著堅持學下去，總是收穫不少；然後又看到孟老師開設的這門課《Linux內核分析》，就毫不猶豫的選擇跟上，並開啟了“奮鬥模式”。

是時候，總結下這段時間的堅持了，也給同樣對Linux內核有興趣的你一個指南。

在這門課的學習過程中，按照老師的要求，每次課後都寫一篇博文，這是一個很好的學習方式。每當寫這些文章的時候，總是要多看幾遍視頻，再查查相關的資料，才能勉強湊成一個完整的文檔；同時也把自己學到的東西更好的分享出去，吸引更多的人過來學習Linux內核，一起討論。現把這一系列博文羅列如下，歡迎大家批閱指正。

1. 圖解分析彙編代碼以理解計算機是如何工作的

馮諾依曼體系結構的計算機，又叫存儲程序計算機，從硬件的角度來看，其工作模型是CPU依次讀取內存中的指令來完成工作。但它具體是如何完成程序員編寫的非線性執行的程序呢？本次課的實驗，以一段彙編代碼為例，詳細介紹了CPU計算模塊、寄存器和內存是如何配合工作的！

2. 基於mykernel的一個簡單的時間片輪轉多道程序內核代碼分析

mykernel是由老師建立的一個用於開放您自己的操作系統的內核平臺，它基於Linux Kernel 3.9.4 source code。通過本講的學習和實驗，我們知道操作系統的核心功能就是：進程調度和中斷機制，通過與硬件的配合實現多任務處理，再加上上層應用軟件的支持，最終變成可以使用戶可以很容易操作的計算機系統。

3. 使用gdb跟蹤Linux內核啟動過程

start_kernel()是內核的彙編與Ｃ語言的交接點，在該函數以前，內核的代碼都是用匯編寫的，完成一些最基本的初始化與環境設置工作。start_kernel就像是c代碼中的main函數。不管你關注Linux的內核模塊，總是離不開start_kernel函數的，因為大部分模塊的初始化工作都是在start_kernel中完成的。按照這節課的實驗步驟，我們可以跟蹤Linux內核的啟動過程。

4. 使用庫函數API和C代碼中嵌入彙編代碼兩種方式使用同一個系統調用

即便是最簡單的程序，也難免要用到諸如輸入、輸出以及退出等操作，而要進行這些操作則需要調用操作系統所提供的服務，也就是系統調用。除非你的程序只完成加減乘除等數學運算，否則將很難避免使用系統調用。在 Linux 平臺下有兩種方式來使用系統調用：利用封裝後的 C 庫（libc）或者通過彙編直接調用。這篇文章從示例出發，介紹了系統調用的概念，以及如何使用系統調用。

5. 分析system_call中斷處裡過程

通過gdb我們可以給系統調用內核處里程序如sys_write, sys_time設置斷點，並讓程序停在斷點處，進行斷點跟蹤系統調用處裡過程。由於system_call是完全用匯編寫就一個的函數，雖然我們也可以在system_call處設置斷點，但卻無法讓系統停在system_call處，所以也無法通過單步跟蹤學習其處裡流程。但system_call是所有系統調用的入口，也是程序由用戶態轉入內核態執行時無法越過的一個函數，其重要性不言而喻，所以我們跟隨老師簡化的彙編代碼以及源代碼學習其主要的流程。

6. 初學Linux進程的描述和進程的創建

為了管理進程，內核必須對每個進程進行清晰的描述，進程描述符提供了內核所需瞭解的進程信息。進程描述符task_struct的源碼鏈接：http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/include/linux/sched.h#1235。在Linux應用程序的開發中，可以通過fork、vfork和clone等API來創建一個子進程，它們在Linux內核中對應的系統調用分別為sys_fork、sys_vfork和sys_clone函數，而這些函數最終都會調用do_fork完成子進程的創建。do_fork主要是複製了父進程的task_struct，然後修改必要的信息，從而得到子進程的task_struct。

7. 初學《Linux內核如何裝載和啟動一個可執行程序》

Linux系統可以通過execve API啟動一個新進程，該API又呼叫sys_execve系統調用，負責將新的程序代碼和數據替換到新的進程中，打開可執行 文件，載入依賴的庫文件，申請新的內存空間，最後執行 start_thread(regs, elf_entry, bprm->p) ，設置 new_ip, new_sp ，完成新進程的代碼和數據替換，然後返回，接下來就是執行新的進程代碼了。

8. 初學Linux中進程調度與進程切換過程

Linux系統的一般執行過程，最一般的情況是：正在運行的用戶態進程X切換到運行用戶態進程Y的過程要經過以下步驟

1). 正在運行的用戶態進程X
2). 發生中斷：save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack, then load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
3). SAVE_ALL //保存現場，這裡是已經進入內核中斷處裡過程
4). 中斷處理過程中或中斷返回前調用了schedule()，其中的switch_to做了關鍵的進程上下文切換
5). 標號1之後開始運行用戶態進程Y(這裡Y曾經通過以上步驟被切換出去過因此可以從標號1繼續執行)
6). restore_all //恢復現場
7). iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
8). 繼續運行用戶態進程Y

總結

通過這門課的學習，加深了我對操作系統理論的理解，知道了Linux系統是如何工作的，如何通過代碼閱讀、調試去跟蹤驗證Linux系統的運行機制。

Linux作為一個極其成功的操作系統，其內核紛繁複雜、博大精深，無疑是很難學習的，雖然在課程中孟老師化繁為簡、抽絲剝繭，我也很努力地學完了本課程所有的視頻，跟著老師的指導完成了全部的練習和測驗，但也只感覺我是剛剛站在這一知識寶庫的大門前，大門剛剛露了一個縫隙，要學習的東西真是太多太多了！

個人覺得，在這門課程中，重要的是不是學習到了多少內核代碼（雖然它也很重要）；重要的是學習方法，即從何處著手學習Linux內核，課程中給了我們很多這方面的提示，例如：如何調試內核，如何看懂內核中的彙編代碼，如何分析系統調用，等等。

總之，作為入門，這門課程起到了很好的引導作用；師傅領進門，修行靠自身。所以於我來說，這門課雖結束了，但Linux內核的學習才剛剛開始……